FR3121975A1 - Dispositif accroche-flammes pour poscombustion de turboréacteur comprenant des bras de longueurs différentes - Google Patents
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Abstract
Un dispositif accroche-flammes (36) pour postcombustion de turboréacteur comprend une rangée annulaire de bras accroche-flammes (38) s’étendant radialement par rapport à un axe (40) du dispositif, comprenant au moins des bras d’un premier type (38A) présentant des extrémités radialement internes respectives à une première distance (d1) de l’axe (40), et des bras d’un deuxième type (38B) présentant des extrémités radialement internes respectives à une deuxième distance (d2) de l’axe (40) supérieure à la première distance (d1). Figure pour l’abrégé : Figure 4
Description
La présente invention se rapporte au domaine des turboréacteurs destinés à la propulsion des aéronefs et comprenant un canal de postcombustion. Elle concerne plus particulièrement un dispositif accroche-flammes pour postcombustion, une partie arrière de turboréacteur comprenant un tel dispositif, et un turboréacteur comprenant une telle partie arrière.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Des turboréacteurs de type connu, notamment ceux destinés au vol supersonique, comprennent dans leur partie arrière, également dénommée arrière-corps, un canal de postcombustion, également dénommé « canal de réchauffe », dans lequel le flux de gaz issu de la turbine peut subir une nouvelle combustion grâce à l’oxygène restant en son sein, avant de se détendre dans une tuyère d’éjection.
Des dispositifs d’injection de carburant en forme de bras sont en général agencés à l’entrée du canal de combustion pour vaporiser du carburant vers l’aval en direction d’un dispositif accroche-flammes destiné à stabiliser la flamme au sein du canal de post-combustion.
Un tel dispositif accroche-flammes comprend typiquement une rangée annulaire de bras accroche-flammes s’étendant radialement, destinés à favoriser une propagation radiale de la flamme le long de chacun des bras, et un anneau accroche-flammes reliant ces derniers deux-à-deux pour favoriser une propagation circonférentielle de la flamme, de bras en bras.
La conception d’un tel dispositif accroche-flammes implique de faire un compromis entre la capacité du dispositif à accrocher et stabiliser au mieux la flamme, et la limitation de la perte de charge induite par l’obstruction du canal de post combustion par le dispositif.
Un tel dispositif accroche-flammes contribue en particulier à la définition du profil de température du flux d’air en entrée de la tuyère d’échappement d’un turboréacteur, c'est-à-dire en sortie du canal de postcombustion. Or, il est souhaitable que ce profil de température soit aussi uniforme que possible afin de maximiser les performances du turboréacteur.
Dans ce contexte, il existe un besoin pour un dispositif accroche-flammes amélioré.
L’invention propose à cet effet un dispositif accroche-flammes pour postcombustion de turboréacteur, comprenant une rangée annulaire de bras accroche-flammes s’étendant radialement par rapport à un axe du dispositif, dans lequel les bras accroche-flammes comprennent au moins des bras d’un premier type présentant des extrémités radialement internes respectives à une première distance de l’axe, et des bras d’un deuxième type présentant des extrémités radialement internes respectives à une deuxième distance de l’axe supérieure à la première distance.
D’une manière générale, l’invention permet, en permettant une proximité suffisante entre bras consécutifs grâce à la présence des bras du deuxième type entre des bras du premier type, d’améliorer la propagation de la flamme de bras en bras et d’accroître la surface de flamme, pour un niveau d’obstruction donné des veines primaire et secondaire, ou de réduire l’obstruction de ces dernières sans pénaliser la propagation circonférentielle de la flamme.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le dispositif de liaison présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les bras accroche-flammes sont agencés de sorte qu’il y ait au moins un bras du deuxième type entre tout couple de bras du premier type consécutifs ;
- les bras du premier type sont régulièrement répartis autour de l’axe ;
- les bras du deuxième type sont régulièrement répartis autour de l’axe ;
- au moins certains des bras accroche-flammes comprennent un conduit d’air agencé pour faire circuler de l’air radialement vers l'intérieur depuis au moins une entrée d’air jusqu’à au moins une sortie d’air ;
- au moins certains des bras accroche-flammes comprennent un conduit de carburant agencé pour faire circuler du carburant radialement vers l'intérieur depuis au moins une entrée de carburant jusqu’à au moins une sortie de carburant.
- les bras accroche-flammes sont agencés de sorte qu’il y ait au moins un bras du deuxième type entre tout couple de bras du premier type consécutifs ;
- les bras du premier type sont régulièrement répartis autour de l’axe ;
- les bras du deuxième type sont régulièrement répartis autour de l’axe ;
- au moins certains des bras accroche-flammes comprennent un conduit d’air agencé pour faire circuler de l’air radialement vers l'intérieur depuis au moins une entrée d’air jusqu’à au moins une sortie d’air ;
- au moins certains des bras accroche-flammes comprennent un conduit de carburant agencé pour faire circuler du carburant radialement vers l'intérieur depuis au moins une entrée de carburant jusqu’à au moins une sortie de carburant.
L’invention concerne également une partie arrière de turboréacteur, comprenant un canal de postcombustion, un carter de canal de postcombustion entourant ledit canal, et au moins un dispositif accroche-flammes du type décrit ci-dessus.
De préférence, les bras accroche-flammes dudit dispositif accroche-flammes présentent des extrémités radialement externes raccordées au carter de canal de postcombustion, dans laquelle les bras accroche-flammes dudit dispositif accroche-flammes s’étendent librement les uns par rapport aux autres à partir du carter de canal de postcombustion.
Autrement dit, la partie arrière de turboréacteur est de préférence dépourvue d’anneau accroche-flammes reliant deux-à-deux les bras accroche-flammes.
L’invention concerne enfin un turboréacteur pour aéronef, comprenant au moins un dispositif accroche-flammes du type décrit ci-dessus ou une partie arrière du type décrit ci-dessus.
L’invention sera mieux comprise, et d’autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
La illustre un turboréacteur 10, par exemple à double corps et à double flux, destiné par exemple à la propulsion d’un aéronef apte au vol supersonique, et donc destiné en particulier à être installé dans le fuselage d’un tel aéronef. L’invention est bien entendu applicable à d’autres types de turboréacteurs.
Dans l’ensemble de cette description, la direction axiale X est la direction de l’axe longitudinal 11 du turboréacteur. Sauf lorsqu’il en est stipulé autrement, la direction radiale R est en tout point une direction orthogonale à l’axe longitudinal 11 et passant par ce dernier, et la direction circonférentielle C (parfois dénommée direction azimutale ou ortho-radiale) est en tout point une direction orthogonale à la direction radiale R et à l’axe longitudinal 11. Les qualificatifs « amont » et « aval » sont définis par référence à une direction générale D de l’écoulement des gaz dans le turboréacteur 10.
À titre illustratif, un tel turboréacteur 10 comprend, de l’amont vers l’aval, une entrée d’air 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20, une turbine basse pression 22, un canal de postcombustion 24, et une tuyère 26 à géométrie variable, par exemple de type convergente-divergente. Ces organes du turboréacteur sont tous centrés selon l’axe longitudinal 11 de celui-ci.
Un carter de canal de postcombustion 28 entoure ledit canal.
De plus, une virole de séparation de flux 30, couramment dénommée « confluence », s’étend vers l’aval à partir d’un carter arrière TRF de la turbine basse pression 22, à l’intérieur du carter 28, concentriquement à ce dernier, de manière à délimiter extérieurement l’entrée du canal de postcombustion 24 et à délimiter, avec le carter 28, un canal annulaire 32 formant l’extrémité aval de la veine secondaire SF.
Enfin, un cône de diffusion 33 s’étend vers l’aval dans le prolongement d’un moyeu du carter arrière TRF de la turbine basse pression 22, de manière à délimiter intérieurement l’entrée du canal de postcombustion 24.
De manière bien connue, le compresseur haute pression 16, la chambre de combustion 18, et les turbines haute pression 20 et basse pression 22, définissent une veine primaire PF. Cette dernière est entourée par une veine secondaire SF de la turbomachine qui s’étend de l’amont vers l’aval, à partir d’une sortie du compresseur basse pression 14 jusqu’à une extrémité aval de la virole de séparation de flux 30, et qui inclut donc le canal annulaire 32 précité.
Ainsi, en fonctionnement, de l’air F1 qui est entré par l’entrée d’air 12 et qui a été comprimé par le compresseur basse pression 14, se divise ensuite en un flux primaire F2 qui circule dans la veine primaire PF et en un flux secondaire F3 qui circule dans la veine secondaire SF. Le flux primaire F2 est alors comprimé davantage dans le compresseur haute pression 16, puis mélangé à du carburant et enflammé dans la chambre de combustion 18, avant de subir une détente dans la turbine haute pression 20 puis dans la turbine basse pression 22.
Les gaz de combustion constituant le flux primaire F2 en sortie de la turbine et le flux secondaire F3 se mélangent au sein du canal de postcombustion 24 à partir de l’extrémité aval de la virole de séparation de flux 30, et constituent ainsi un flux de gaz d’échappement F4 qui poursuit sa circulation dans le canal de postcombustion 24 puis s’échappe du turboréacteur 10 au travers de la sortie délimitée par la tuyère 26.
En régime de fonctionnement avec postcombustion, par exemple pour propulser un aéronef à des vitesses supersoniques, du carburant est injecté dans le flux de gaz au sein du canal de postcombustion 24, et le mélange ainsi constitué est enflammé au sein de ce canal afin de générer un surcroît de poussée.
À cet effet, des dispositifs d’injection de carburant 34 en forme générale de bras sont agencés à l’entrée du canal de postcombustion 24 pour vaporiser du carburant vers l’aval en direction d’un dispositif accroche-flammes 36 destiné à favoriser la stabilisation des flammes.
La illustre à plus grande échelle la partie arrière d’un tel turboréacteur, dans une configuration connue. Cette figure montre en particulier le dispositif accroche-flammes 36, qui est visible également de face sur la , et qui comprend une rangée annulaire de bras accroche-flammes 38 s’étendant radialement par rapport à un axe 40 du dispositif, qui se confond avec l’axe longitudinal 11 du turboréacteur, et un anneau accroche-flammes 42 centré sur l’axe 11 et reliant deux-à-deux les bras accroche-flammes 38.
Les bras accroche-flammes 38, par exemple au nombre de neuf, sont destinés à favoriser une propagation radiale de la flamme le long de chacun des bras, tandis que l’anneau accroche-flammes 42 est destiné à favoriser une propagation circonférentielle de la flamme, de bras en bras.
Les bras accroche-flammes 38 sont chacun raccordés au carter de canal de postcombustion 28, à partir duquel ces bras s’étendent radialement vers l'intérieur.
Dans l’exemple illustré sur la , l’anneau accroche-flammes 42 est agencé à l’extrémité aval du canal annulaire 32 formant l’extrémité aval de la veine secondaire SF. Dans d’autres configurations connues, l’anneau accroche-flammes 42 est agencé à l’intérieur de la virole de séparation de flux 30, dans le prolongement de la veine primaire PF.
Les bras accroche-flammes 38 comprennent en général des moyens pour faire circuler en leur sein de l’air relativement frais, issu de la veine secondaire SF, afin d’assurer la protection thermique des bras accroche-flammes. Pour chacun des bras, de tels moyens comprennent en général une ou plusieurs entrées d’air (non visibles sur les figures) débouchant vers l’amont dans la veine secondaire SF, des sorties d’air 44 ( ) débouchant vers l’aval dans le canal de postcombustion 24, et un conduit interne raccordant les entrées d’air aux sorties d’air. Ces bras comprennent par exemple chacun un dispositif de protection thermique 39 (figures 2 et 3) apte à canaliser l’air frais issu de la veine secondaire, et délimitant les sorties d’air 44 ( ). Dans certains cas, tels que l’exemple illustré, les bras accroche-flammes 38 comprennent en outre des moyens d’injection de carburant 41 ( ) comprenant, pour chaque bras, une ou plusieurs sorties de carburant 41A ( ). Les sorties d’air et de carburant peuvent être confondues, le mélange d’air et de carburant pouvant être opéré au sein des bras accroche-flammes 38.
En référence à la , l’anneau accroche-flammes 42 présente une section concave en direction de l’aval, globalement en C ou en V, définissant ainsi deux branches 42A, 42B raccordées l’une à l’autre du côté amont, et présentant à l’aval des extrémités libres qui favorisent, en fonctionnement, l’apparition de zones de recirculation du flux de gaz, contribuant à la stabilisation de la flamme. L’anneau accroche-flammes 42 comporte en général également des moyens pour faire circuler en son sein de l’air frais issu de la veine secondaire SF, et dans certains cas, tels que l’exemple illustré, des moyens d’injection de carburant 43. L’anneau accroche-flammes 42 comporte typiquement un écran de protection thermique 45 agencé entre les branches 42A et 42B pour canaliser l’air frais issu de la veine secondaire et protéger ainsi l’anneau 42 du côté aval vis-à-vis des gaz chauds environnants et du rayonnement thermique de la flamme.
Le document FR2909438 divulgue un exemple d’un tel dispositif accroche-flammes.
Avec un tel dispositif accroche-flammes, les inventeurs ont en particulier observé un défaut de carburation au centre du canal de postcombustion 24, se traduisant par un creux dans le profil de température à l’entrée de la tuyère 26 au régime pleins gaz lors de fonctionnement de la postcombustion, et par une bosse dans ledit profil au régime pleins gaz sans postcombustion (couramment dénommé régime pleins gaz sec). De telles inhomogénéités thermiques pénalisent la poussée du turboréacteur.
Afin de remédier à ce problème, un dispositif accroche-flammes 36 selon l'invention comprend, en référence à la , des bras accroche-flammes 38 de longueurs différentes, de sorte que certains bras 38A, dits bras d’un premier type, présentent des extrémités radialement internes respectives à une première distance d1 de l’axe 40 du dispositif, tandis que d’autres bras 38B, dits bras d’un deuxième type, présentent des extrémités radialement internes respectives à une deuxième distance d2 de l’axe 40 supérieure à la première distance d1.
Dans le cas typique ou les bras des deux types sont fixés au carter de canal de postcombustion 28, les bras du premier type 38A sont donc plus longs que les bras du deuxième type 38B.
Les bras accroche-flammes 38 sont agencés de sorte que les bras du deuxième type 38B participent à propager circonférentiellement la flamme entre bras du premier type 38A.
À cet effet, les bras accroche-flammes 38 sont avantageusement agencés de sorte qu’il y ait au moins un bras du deuxième type 38B entre tout couple de bras du premier type 38A consécutifs.
D’une manière générale, l’invention permet, en permettant une proximité suffisante entre bras 38 consécutifs grâce à la présence des bras du deuxième type 38B entre des bras du premier type 38A, d’améliorer la propagation de la flamme de bras en bras et d’accroître la surface de flamme, pour un niveau d’obstruction donné des veines primaire et secondaire, ou de réduire l’obstruction de ces dernières sans pénaliser la propagation circonférentielle de la flamme.
L’invention rend en outre possible et avantageuse une augmentation du nombre de bras accroche-flammes 38 et une diminution de l’épaisseur moyenne W de ces derniers, pour un modèle de turboréacteur donné. Ainsi, dans l’exemple illustré, les bras du premier type 38A sont au nombre de neuf, comme les bras 38 du dispositif de type connu décrit ci-dessus, et les bras du deuxième type 38B sont également au nombre de neuf, portant ainsi le nombre total de bras 38 à dix-huit.
La diminution de l’épaisseur moyenne W des bras du premier type 38A permet de rapprocher au mieux l’extrémité radialement interne de chaque bras du premier type 38A de l’axe 40. De manière analogue, la diminution de l’épaisseur moyenne W des bras du deuxième type 38B permet de rapprocher au mieux l’extrémité radialement interne de chaque bras du deuxième type 38B du ou des bras du premier type 38A qui lui sont consécutifs dans la rangée annulaire.
Le recours à des bras de longueurs différentes permet néanmoins de ne pas réduire l’épaisseur moyenne W de ces derniers en dessous d’une valeur requise pour garantir la tenue mécanique des bras et permettre l’apparition de zones de recirculation de nature à favoriser la stabilisation de la flamme.
L’augmentation du nombre de bras 38 permet en outre d’augmenter la surface de flamme du fait de l’augmentation du nombre de zones d’accrochage de la flamme, ce qui permet en outre une augmentation de la température des gaz dans le canal de postcombustion 24.
Cette augmentation de la surface de flamme peut se faire à obstruction constante dès lors que l’invention rend superflue la présence d’un anneau accroche-flammes tel que l’anneau 42 des figures 2 et 3.
Dans le mode de réalisation illustré, les bras du premier type 38A sont régulièrement répartis autour de l’axe 40 du dispositif.
Dans cet exemple, la rangée annulaire de bras accroche-flammes 38 ne comporte pas d’autres bras que les bras des premier et deuxième types 38A, 38B. Par conséquent, les bras du deuxième type 38B sont aussi régulièrement répartis autour de l’axe 40. De plus, les bras des deux types 38A et 38B sont ainsi agencés en alternance autour de l’axe 40.
Par ailleurs, comme mentionné ci-dessus, conformément à une possibilité offerte par l’invention, le dispositif accroche-flammes 36 est avantageusement dépourvu d’anneau accroche-flammes. Une telle absence d’anneau accroche-flammes se traduit de manière positive par le fait que les bras accroche-flammes 38 s’étendent librement les uns par rapport aux autres, radialement vers l'intérieur, à partir du carter de canal de postcombustion 28. La traversée de la virole de séparation de flux 30 par les bras accroche-flammes 38 se fait en effet avec jeu, d’une manière connue en soi, afin d’autoriser des dilatations thermiques différentielles en fonctionnement.
L’absence d’anneau accroche-flammes permet de limiter l’obstruction générée par le dispositif accroche-flammes 36.
Par ailleurs, dans des modes de réalisation de l’invention, la rangée annulaire de bras accroche-flammes 38 peut comporter en outre d’autres bras, présentant des extrémités radialement internes respectives à une troisième distance de l’axe 40 supérieure à la deuxième distance d2, agencés de manière à favoriser la propagation circonférentielle de la flamme entre bras des premier et deuxième types 38A et 38B.
À l’instar des bras 38 du dispositif de la de type connu, certains ou tous les bras accroche-flammes 38 du dispositif selon l'invention comprennent avantageusement des moyens pour faire circuler en leur sein de l’air frais issu de la veine secondaire SF et éjecter cet air par des sorties d’air 44 débouchant dans le canal de postcombustion 24.
Ainsi, au régime pleins gaz sec (sans postcombustion), les bras du premier type 38A permettent d’injecter de l’air relativement frais au cœur du canal de postcombustion 24 et donc d’atténuer la bosse du profil de température observée avec les dispositifs de type connu.
De plus, certains ou tous les bras accroche-flammes 38 du dispositif selon l'invention comprennent avantageusement des moyens d’injection de carburant à l’instar des bras 38 du dispositif de la de type connu, de tels moyens comprenant donc un conduit interne de carburant se terminant par une ou plusieurs sorties de carburant 41A débouchant dans le canal de postcombustion 24. De telles sorties de carburant 41A s’étendent avantageusement à proximité de (ou jusqu’à) l’extrémité radialement interne des bras du premier type 38A de manière à favoriser la carburation au cœur du canal de postcombustion 24 lors du fonctionnement avec postcombustion. L’invention permet ainsi d’atténuer le creux du profil de température observé avec les dispositifs de type connu. Les sorties d’air et de carburant peuvent là encore être confondues, le mélange d’air et de carburant pouvant être opéré au sein des bras accroche-flammes 38.
Les bras 38 pourvus de moyens d’injection de carburant sont de préférence également pourvus de moyens de circulation d’air frais tels que décrits ci-dessus se sorte que ces derniers protègent thermiquement le conduit interne de carburant, à la fois vis-à-vis du flux de gaz chauds environnant et vis-à-vis du rayonnement des flammes.
Claims (8)
- Dispositif accroche-flammes (36) pour postcombustion de turboréacteur, comprenant une rangée annulaire de bras accroche-flammes (38) s’étendant radialement par rapport à un axe (40) du dispositif, caractérisé en ce que les bras accroche-flammes comprennent au moins des bras d’un premier type (38A) présentant des extrémités radialement internes respectives à une première distance (d1) de l’axe (40), et des bras d’un deuxième type (38B) présentant des extrémités radialement internes respectives à une deuxième distance (d2) de l’axe (40) supérieure à la première distance (d1).
- Dispositif accroche-flammes selon la revendication 1, dans lequel les bras accroche-flammes (38) sont agencés de sorte qu’il y ait au moins un bras du deuxième type (38B) entre tout couple de bras du premier type (38A) consécutifs
- Dispositif accroche-flammes selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les bras du premier type (38A) sont régulièrement répartis autour de l’axe (40).
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les bras du deuxième type (38B) sont régulièrement répartis autour de l’axe (40).
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins certains des bras accroche-flammes (38) comprennent au moins l’un parmi :
- un conduit d’air agencé pour faire circuler de l’air radialement vers l'intérieur depuis au moins une entrée d’air jusqu’à au moins une sortie d’air ; et
- un conduit de carburant agencé pour faire circuler du carburant radialement vers l'intérieur depuis au moins une entrée de carburant jusqu’à au moins une sortie de carburant.
- Partie arrière de turboréacteur, comprenant un canal de postcombustion (24), un carter de canal de postcombustion (28) entourant ledit canal, et au moins un dispositif accroche-flammes (36) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
- Partie arrière de turboréacteur selon la revendication 6, dans laquelle les bras accroche-flammes (38) dudit dispositif accroche-flammes présentent des extrémités radialement externes raccordées au carter de canal de postcombustion (28), et dans laquelle les bras accroche-flammes (38) dudit dispositif accroche-flammes s’étendent librement les uns par rapport aux autres à partir du carter de canal de postcombustion (28).
- Turboréacteur pour aéronef, comprenant au moins un dispositif accroche-flammes (36) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou une partie arrière selon la revendication 6 ou 7.
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
- 2021-04-19 FR FR2103990A patent/FR3121975A1/fr active Pending
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